1、机电传动控制习题课第3章直流电机的工作原理及特性习题3.1 为什么直流电机的转子要用表面有绝缘层的硅钢片叠压而成?答案:直流电动机工作时,(1)电枢绕组中流过交变电流,它产生的磁通当然是交变的。这个(2)变化的磁通在铁芯中产生感应电流。铁芯中产生的感应电流,在(3)垂直于磁通方向的平面内环流,所以叫涡流。涡流损耗会使铁芯发热。为了减小这种涡流损耗,电枢铁芯采用彼此绝缘的硅钢片叠压而成,使涡流在狭长形的回路中,通过较小的截面,以(4)增大涡流通路上的电阻,从而起到(5)减小涡流的作用。如果没有绝缘层,会使整个电枢铁芯成为一体,涡流将增大,使铁芯发热。因此,如果没有绝缘,就起不到削减涡流的作用。习
2、题3.4 一台他励直流电动机在稳态下运行时,电枢反电势EE1,如负载转矩TL常数,外加电压和电枢电路中的电阻均不变,问减弱励磁使转速上升到新的稳定值后,电枢反电势将如何变化?是大于、小于还是等于E1?答案:当电动机再次达到稳定状态后,输出转矩仍等于负载转矩,即输出转矩TTL常数。又根据公式(3.2), TKtIa。励磁磁通减小,T、Kt不变。电枢电流Ia增大。再根据公式(3.11),UEIaRa。E=UIaRa。又U、Ra不变,Ia增大。E减小即减弱励磁到达稳定后,电动机反电势将小于E1。习题3.8 一台他励直流电动机的铭牌数据为:PN5.5KW,UN110V,IN62A,nN1000r/mi
3、n,试绘出它的固有机械特性曲线。(1)第一步,求出n0(2)第二步,求出(TN,nN)答案:根据公式(3.15),(1-1)Ra(0.500.75)()我们取Ra0.7(), 计算可得,Ra0.24 再根据公式(3.16)得,(1-2) KeN(UNINRa)/nN=0.095又根据(1-3) n0UN/(KeN),计算可得,n01158 r/min根据公式(3.17),(2-1) TN9.55, 计算可得,TN52.525 NM根据上述参数,绘制电动机固有机械特性曲线如下:3.10一台他励直流电动机的技术数据如下:PN=6.5KW,U N=220V, I N=34.4A, n N=1500r
4、/min, Ra =0.242,试计算出此电动机的如下特性: 固有机械特性;电枢附加电阻分别为3和5时的人为机械特性;电枢电压为U N/2时的人为机械特性; 磁通=0.8N时的人为机械特性;并绘出上述特性的图形。 n0=UNnN/(UN-INRa) =220*1500/220-34.4*0.242 = 1559r/min求出Ke=0.1411TN=9.55PN/nN=9.55*6500/1500=41.38Nm 1559 41.38 n=U/Ke-(Ra+Rad)T/KeKt2 = U/Ke-(Ra+Rad)T/9.55Ke22= 1559-(0.242+Rad)41.38/9.55Ke22当
5、3 n=854r/min当5 n=311 r/min n= U/Ke-RaT/9.55Ke22当UN=0.5UN时 n=732 r/min n0=UNnN/2(UN-INRa) =780 r/min n= U/0.8Ke-RaT/9.55Ke220.82 当=0.8时n=1517 r/min n0=UN/0.8Ke =1949 r/min n03.11为什么直流电动机直接启动时启动电流很大?电动机在未启动前n=0,E=0,而Ra很小,所以将电动机直接接入电网并施加额定电压时,启动电流将很大.Ist=UN/Ra习题3.13 直流他励电动机启动时,为什么一定要先把励磁电流加上?若忘了先合励磁绕组的
6、电源开关就把电枢电源接通,这时会产生什么现象(试从TL0和TLTN两种情况加以分析)?当电动机运行在额定转速下,若突然将励磁绕组断开,此时又将出现什么情况?答案:直流他励电动机启动前必须先加励磁电流,是为了产生主磁通。若忘了先合励磁绕组的电源开关就把电枢电源接通会产生的现象是:(1) 当TL0时此时,虽然没有励磁电流但是电动机内部的主磁极上仍会有剩磁(TKtIa),当接通电枢电源时,电磁转矩不等于0,而TL0,故电动机会转动,但是电动机转速会不断上升,最后发生“飞车”。 (2)当TLTN时此时,电动机内部同样由于主磁极上有剩磁,而产生电磁转矩。如果此时的电磁转矩大于负载转矩,电动机则会转动;如
7、果此时的电磁转矩小于负载转矩,电动机则不会转动,且由于此时反电动势E等于0,因此电枢电流Ia会很大,可能会损坏电枢绕组。当电动机运行在额定转速下,突然将励磁绕组断开,电动机主磁通迅速减小,同时电枢电流会急剧增大。如果此时的电磁转矩大于负载转矩,电动机则会继续转动;如果此时的电磁转矩小于负载转矩,电动机则会慢慢减速直至停止。习题3.15 一台直流他励电动机,其额定数据如下:PN2.2kW,UNUf110V,nN1500r/min,N0.8,Ra0.4,Rf82.7。试求:1. 额定电枢电流IaN;2. 额定励磁电流IfN;3. 励磁功率Pf;4. 额定转矩TN;5. 额定电流时的反电势;6. 直
8、接启动时的启动电流;7. 如果要使启动电流不超过额定电流的2倍,求启动电阻为多少欧?此时启动转矩又为多少?(1) NIaN=25 A(2) IfNUf/Rf1.33 A(3) Pf=UN IfN1101.33146.3 W(4) TN9.55=14 NM(5) E= UN-IaNRa=100 V(6) Ist= UN/Ra=275 A(7) Ist=2IaN,Rad1.8 启动电阻至少为1.8根据公式(3.16)可知,Ke(UNIaNRa)/nN=0.0667又 TstIstKt9.55IstKe9.552IaN Ke=31.83 Nm 启动转矩不会超过31.83 Nm第5章 交流电动机的工作
9、原理及特性茶馆能够用常用基本工作时习题5.3 有一台三相异步电动机,其nN1470r/min,电源频率为50Hz。设在额定负载下运行,试求:1) 定子旋转磁场对定子的转速;2) 定子旋转磁场对转子的转速;3) 转子旋转磁场对转子的转速;4) 转子旋转磁场对定子的转速;5) 转子旋转磁场对定子旋转磁场的转速。提示:转子旋转磁场在空间的转速总是等于同步转速n0,即转子旋转磁场与定子旋转磁场在空间始终保持相对静止。答案:1) 1500 r/min2) 30 r/min3) 30 r/min4) 1500 r/min5) 0 r/min5.4 当三相异步电动机的负载增加时,为什么定子电流会随转子电流的
10、增加而增加? 因为负载增加n减小,转子与旋转磁场间的相对转速( n0-n)增加,转子导体被磁感线切割的速度提高,于是转子的感应电动势增加,转子电流也增加,定子的感应电动势因为转子的电流增加而变大(根据变压器的工作原理),所以定子的电流也随之提高.习题5.5 三相异步电动机带动一定的负载运行时,若电源电压降低了,此时电动机的转矩、电流及转速有无变化?如何变化?答案:由图5.24和图5.20可知,当电源电压下降时,电动机转速降低,转子电流增加;再由式(5.27)可知,当电压下降时,电动机输出转矩先减小,但随着电动机转速的降低,输出转矩会逐渐增大,并最终等于负载转矩。习题5.6 有一台三相异步电动机
11、,其技术数据如下表所示。型号PN/KWUN/V满载nN/rmin-1 IN/A N100 cosNY132-63220/380960 12.8/7.2 83 0.756.52.02.0试求:1) 线电压为380V时,三相定子绕组应如何接法?2) 求n0,p,SN,TN,Tmax和Ist;3) 额定负载时电动机的输入功率是多少?答案: 1) 参考5.2.3节的内容可知,对于线电压为380V的三相电,该电机应接成“Y”型。2) n01000 r/min;p3;SN0.04;TN29.8 Nm;TstTmax59.6 Nm;Ist46.8 A(当电机接成“Y”型时,其线电流值取7.2A)3) 361
12、4 W习题5.13 线绕式异步电动机采用转子串电阻启动时,所串电阻愈大,启动转矩是否也愈大?答案:由(5.30)可知,当转子电阻适当增大时,启动转矩会增大。但是其增大到一定值时,启动转距反而会减小。第六章 控制电机习题6.3 有一台直流伺服电动机,电枢控制电压和励磁电压均保持不变,当负载增加时,电动机的控制电流、电磁转矩和转速如何变化?答案:当负载增加时,电机输出转矩小于负载转矩,因此电机转速会降低。由公式 nU/KeIaRa/Ke,可知当电枢控制电压U和励磁不变时,n减小必然会使电枢电流Ia增加;又因为TKtIa,所以输出转矩会随着电枢电流的增大而增加,最后与负载转矩平衡。习题6.4 有一台
13、直流伺服电动机,当电枢控制电压Uc110V时,电枢电流Ia10.05A,转速n13000r/min;加负载后Ia21A,转速n21500r/min。试作出其机械特性nf(T)。答案:由公式 nU/KeIaRa/Ke,得到3000110/ Ke0.05Ra/Ke1500110/ KeRa/Ke根据上面两式,得出Ke0.0357因此,T19.55KeIa1=0.017,T29.55KeIa2=0.341由上面所得(0.017,3000)和(0.341,1500),即可画出对应的机械特性曲线,如图6-1所示。图6-1 机械特性曲线习题6.6 为什么直流力矩电动机要做成扁平圆盘状结构? 直流力矩电动机
14、的电磁转矩为T=BIaNlD/2在电枢体积相同条件下,电枢绕组的导线粗细不变,式中的BIaNl/2近似为常数,故转矩T与直径D近似成正比.电动机得直径越大力矩就越大.空载转速N0与直径D成反比,当D越大,空载转速N0就越低。习题6.10 一台磁阻式电磁减速同步电动机,定子齿数为46,极对数为2,电源频率为50Hz,转子齿数为50,试求电机的转速。答案:根据公式(ZrZs)/Zr2f/p,可知 n60/2=(5046)60/2=120r/minn0=60*50/2=1500 r/min, n=(ZrZs)/Zr * n0=120 r/min习题6.13 一台直流测速发电机,已知Ra180,n30
15、00 r/min,RL2000,U50V,求该转速下的输出电流和空载输出电压。答案:由公式UaCen/(1+Ra/RL),可得50Cen/(1+180/2000),由此导出Cen54.5即空载输出电压等于54.5VIaUa/RL50/20000.025A第8章 继电器-接触器控制系统习题8.2 为什么交流电弧比直流电弧容易熄灭?因为交流是成正旋变化的,当触点断开时总会有某一时刻电流为零,此时电流熄灭.而直流电一直存在,所以与交流电相比电弧不易熄灭.8.3 若交流电器的线圈误接入同电压的直流电源,或直流电器的线圈误接入同电压的交流电源,会发生什么问题?若交流电器的线圈误接入同电压的直流电源,会因
16、为交流线圈的电阻太小而流过很大的电流使线圈损坏. 直流电器的线圈误接入同电压的交流电源,触点会频繁的通断,造成设备的不能正常运行。8.6 两个相同的110V交流接触器线圈能否串联接于220V的交流电源上运行?为什么?若是直流接触器情况又如何?为什么?两个相同的110V交流接触器线圈不能串联接于220V的交流电源上运行,因为在接通电路的瞬间,两各衔铁不能同时工作,先吸合的线圈电感就增大,感抗大线圈的端电压就大,另一个端电压就小,时间长了,有可能把线圈烧毁.若是直流接触器,原则上来说可以,但是由于电器本身的差异性,直流接触器工作可能不正常。8.8 电动机中的短路保护、过电流保护和长期过载(热)保护
17、有何区别?电动机中的短路保护是指电源线发生短路,此时电动机的电枢线圈将会流过很大的电流,为了防止电动机电枢过大的电流而损坏,短路保护电路将会在很短的时间内自动切断电源,我们将这保护动作过程称之为短路保护。过电流保护是指当电动机发生严重过载时,保护电动机不超过最大许可电流。电动机的短时过载是可以的,但长期过载时电动机就要发热,长期过载保护是为了防止电动机的温升超过电动机的最高绝缘温度。8.10为什么热继电器不能做短路保护而只能作长期过载保护?而熔断器则相反,为什么?因为热继电器的发热元件达到一定温度时才动作,如果短路而热继电器不能马上动作,这样就会造成电动机的损坏。而熔断器,电源一旦短路立即动作
18、,切断电源。8.15在装有电器控制的机床上,电动机由于过载而自动停车后,若立即按启动按钮则不能开车,这可能是什么原因?(1)有可能熔短器烧毁,使电路断电;(2)或者是热继电器的感应部分还未降温,热继电器的触点还处于断开状态。8.16要求三台电动机1M、2M、3M按一定顺序启动:即1M启动后,2M才能启动;2M启动后3M才能启动;停车时则同时停。试设计此控制线路。8.17如题8.17图所示的启停控制线路,试从接线、经济、安全、方便等方面来分析一下,有什么问题?(a)控制不方便.(b)从控制柜到按钮盒多接了线,并且接线复杂,造成了不必要的麻烦.(c)电路容易造成故障,不安全.(d)停止按钮没有在主
19、会路上,停止控制不安全.习题8.18试设计一台异步电动机的控制线路。要求:能实现启停的两地控制;能实现点动调整;能实现单方向的行程保护;要有短路和长期过载保护。8.20试设计一台电动机的控制线路。要求能正反转并能实现能耗制动。习题8.25 试设计一条自动运输线,有两台电动机, 1M拖动运输机,2M拖动卸料机。要求:1M先启动后,才允许2M启动;2M先停止,经一段时间后1M才自动停止,且2M可以单独停止;两台电动机均有短路、长期过载保护。习题8.26 题8.26图为机床自动间歇润滑的控制线路图,其中接触器KM为润滑油泵电动机启停用接触器(主电路为画出),控制线路可使润滑有规律地间歇工作。试分析此
20、线路的工作原理,并说明开关S和按钮SB的作用。SB按钮为人工的点动控制。S自动的间歇润滑,按下后KM 得电,电动机工作, KT1得电,经过一段时间后,延时吸合触点KT1闭合,继电器K得电,同时KM失电,电动机停止工作, KT2得电一段时间后,延时断开触点KT2断开,继电器K失电,触点K闭合,电动机重新工作。习题8.27 试设计1M和2M两台电动机顺序启,停的控制线路。要求:1 1M启动后,2M立即自动启动;2 1M停止后,延时一段时间,2M才自动停止;3 2M能点动调整工作;4 两台电动机均有短路,长期过载保护。习题8.29 试设计一个工作台前进退回的控制线路。工作台由电动机M拖动,行程开关1
21、ST,2ST分别装在工作台的原位和终点。要求:1 能自动实现前进后退停止到原位;2 工作台前进到达终点后停一下再后退;3 工作台在前进中可以人为地立即后退到原位;4 有终端保护.第十三章步进电动机传动控制系统13.2 步进电动机的运行特性与输入脉冲频率有什么关系?当电流为矩形波频率增加时,由于电动机绕组中感应又阻止电流变化的作用,因此电流波形发生畸变.当脉冲频率很高时,电流还未来得及赶上稳定值就开始下降,与时电流幅值降低,因而产生的转矩减小,致使带负载的能力下降,频率过高会使不仅电动机启动不了,或运行时停下来.习题13.8 一台五相反应式步进电动机,采用五相十拍运行方式时,步距角为1.50,若脉冲电源的频率为3000Hz,试问转速是多少?答案:由公式13.3可得,nf60/360750r/min注意:书中的公式的单位应为弧度。